ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ.
ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОХИМИИ
Степень окисленности
Степень окисленности элемента в соединении определяется как число электронов, смещенных от атома данного элемента к другим атомам (при положительной окисленности) или от других атомов к атому данного элемента (при отрицательной окисленности).
Для вычисления степени окисленности элемента в соединении следует исходить из следующих положений: 1) степени окисленности элементов в простых веществах принимаются равными нулю; 2) алгебраическая сумма степеней окисленности всех атомов, входящих в состав молекулы, равна нулю; 3) постоянную степень окисленности в соединениях проявляют щелочные металлы (+1), металлы главной подгруппы II группы, цинк и кадмий (+2); 4) водород проявляет степень окисленности +1 во всех соединениях, кроме гидридов металлов (NaH, CaH2 и т. п.), где его степень окисленности равна —1; 5) степень окисленности кислорода в соединениях равна —2, за исключением пероксидов (— 1) и фторида кислорода OF2 (+2).
Исходя из сказанного, легко, например, установить, что в соединениях NH3, N2H4, NH2OH, N2O, NO, HNO3, N02 и HNO3 степень окисленности азота соответственно равна -3, —2, —1, +1, +2, +3, +4, +5.
Окислительно-восстановительными называются такие реакции, в результате которых изменяется степень окисленности одного или нескольких элементов, входящих в состав реагирующих веществ. Отдача атомом электронов, сопровождающаяся повышением его степени окисленности, называется окислением; присоединение атомом электронов, приводящее к понижению его степени окисленности, называется восстановлением.
|
|
Вещество, в состав которого входит окисляющийся элемент, называется восстановителем; вещество, содержащее восстанавливающийся элемент, называется окислителем. Так, в реакции: 4А1 + ЗО2 = 2А12О3 алюминий повышает степень окисленности от 0 до +3 и служит восстановителем; в результате реакции восстановленная форма алюминия (свободный алюминий) окисляется и превращается в сопряженную с ней окисленную форму (алюминий в степени окисленности +3). Кислород в этой реакции понижает степень окисленности от 0 до —2 и служит окислителем; в результате реакции окисленная форма кислорода (свободный кислород) восстанавливается и превращается в сопряженную с ней восстановленную форму (кислород в степени окисленности —2). Оба процесса — окисление и восстановление — протекают одновременно. При этом общее число электронов, отданных восстановителем, равно общему числу электронов, принятых окислителем, В рассмотренной реакции взаимодействуют два вещества, одно из которых служит окислителем (кислород), а другое — восстановителем (алюминий). Такие реакции относятся к реакциям межмолекулярного окисления-восстановления. Реакция 4HSPO3 = ЗН3РО4 + РН3 служит примером реакций самоокисления-самовосстановления (диспропорционирования), в которых одновременно образуются соединения, содержащие данный элемент в более окисленном и в более восстановленном состоянии по сравнению с исходным; при этом исходное вещество проявляет функции как окислителя, так и восстановителя. В последней реакции фосфористая кислота НзРО3 (степень окисленности фосфора +3) выступает одновременно в роли окислителя, причем фосфор восстанавливается до степени окисленности —3 (РН3), и в роли восстановителя, причем фосфор окисляется до степени окисленности +5 (НзРО4). Подобные реакции возможны, если соответствующий элемент находится в исходном соединении в промежуточной степени окисленности; так, в рассмотренном примере степень окисленности фосфора в исходном соединении (+З) имеет промежуточное значение между возможными максимальной (+5) и минимальной (—3) степенями окисленности этого элемента. В реакции (NH4)2Cr207 = N2 + Cr203 + 4Н20 восстанавливается хром, понижающий степень окисленности от +6 до +3, а окисляется азот, повышающий степень окисленности от -3 до 0. Оба эти элемента входят в состав одного и того же исходного вещества. Реакции такого типа называются реакциями внутримопекулярного окисления-восстановления. К ним относятся, в частности, многие реакции термического разложения сложных веществ.
|
|
|
|
Задачи
113.Определить степень окисленности серы в следующих соединениях: SO2, H2S, Na2SO3, CS2, H2SO4, As2S3.
114.Определить степень окисленности хрома в следующих соединениях: К2СгО4, Сг2О3, Fe(CrO2)2, K2Cr2O7, Cr2(SO4)3 , Na3[Cr(OH)6].
115.Указать, какие из приведенных процессов представляют собой окисление и какие — восстановление: S→SO42-; S→S2-; Sn→Sn4+; К→К+; Br2→2Br; 2Н+→Н2; Н2→2Н-; V2+→VO3-; Сℓ→СℓО3 -; IО3 -→I2; МпО4-→МпО42-.
116. Указать, в каких из приведенных процессов происходит окисление азота и в каких — восстановление, как изменяется в каждом случае степень окисленноста азота: NH4+→N2; NO3- →NO; NO2-→N03-; NO2→NO2-.
117. Какие из следующих реакций относятся к окислительно-восстановительным?
а) Н2 + Вг2 = 2НВг
б) NH4C1 = NH3 + НС1
в) NH4NO3 = N2O + 2Н2О
г) 2K2CrO4 +H2SO4 =-K2Cr2O7 + K2SO4 + H2O
д) НзВОз + 4HF = HBF4 + ЗН2О
е) Fe + S=FeS
118. Для следующих реакций указать, какие вещества и за счет каких именно элементов играют роль окислителей и какие — восстановителей:
|
|
а) S02 + Вг2 + 2Н2О = 2HBr + H2SO4
б) Mg + H2SO4 = MgSO4 + Н2
в) Си + 2H2SO4 = CuSO4 + SO2 +2H2O
г) 3I2 + 6КОН = КIО3 + 5KI + ЗН2О
119. Какие из приведенных реакций относятся к реакциям межмолекулярного окисления-восстановления, к реакциям внутримолекулярного окисления-восстановления и к реакциям диспропорционирования?
а) 4КМnО4 + 4КОН = 4К2МnО4 +О2 + 2Н2О
б) H2SO3 + 2H2S = 3S + ЗН2О
в) NH4NO2 = N2 + ЗН2О
г) 4Р + ЗКОН + ЗН2О = РН3 + ЗКН2Р02
д) 2Н2О2 = 2Н2О + О2
е) 2KMnO4 + 3MnSO4 + 4Н2О = 5MnO2 + K2SO4 + 2H2SO4
120. Указать, какие из перечисленных реакций относятся к окислительно-восстановительным:
а) Cr2(S04)3 + 6RbOH = 2Cr(OH)3 + 3Rb2SO4
б) 2Rb + 2Н2О = 2RbOH + Н2
в) 2CuI2 = 2CuI + I2
г) NH4C1 + NaOH == NaCl + NH3 + H2O
д)2К4 [Fe(CN)6] + Br2 = 2Кз [Fe(CN)6] + 2КВг
121. Среди приведенных превращений указать реакции диспропорционирования:
а) S + КОН →K2SO3 + K2S + Н2О
б) Аи2О3 →Au + O2
в) НС1+ СгО3 →СгС13 + С12 + Н2О
г) НСlО3 → С1О2 + НСlО4
д) N2H4 → N2 + NH3
е) AgNO3 → Ag+NO2 + O2
122.До каких продуктов может быть окислена вода: а) до О2 и Н+; б) до ОН- и Н2; в) до 2ОН-?
123.В каких из указанных превращений кислород выполняет функции восстановителя:
а) Ag2O →Ag + О2
б) F + Н2О →HF + О2
в) ΝН3 + О2 →N2 + Н2О
г) AgNO3 + КОН + Н2О2 →Ag + KNO3 + О2
Окислители и восстановители
Элементы, находящиеся в высшей степени окисленности, могут только восстанавливаться, так как их атомы способны лишь принимать электроны: сера в степени окисленности +6 (H2SO4), азот +5 (HNO3 и нитраты), марганец +7 (перманганаты), хром+6 (хроматы и дихроматы), свинец +4 (РЬО2) и др.
Напротив, элементы, находящиеся в низшей степени окисленности, могут только окисляться, поскольку их атомы способны лишь отдавать электроны: сера в степени окисленности —2 (H2S и сульфиды), азот —3 (NH3 и его производные), иод —1 (HI и иодиды) и др.
Вещества, содержащие элементы в промежуточных степенях окисленности, обладают окислительно-восстановительной двойственностью. Такие вещества способны и принимать и отдавать электроны, в зависимости от партнера, с которым они взаимодействуют, и от условий проведения реакции.
Ниже характеризуются некоторые наиболее важные окислители и восстановители.
Окислители 1. Окислительные свойства характерны для типичных неметаллов (F2, С12, Вг2, I2, О2) в элементарном (свободном) состоянии. Галогены, выступая в качестве окислителей, приобретают степень окисленности -1, причем от фтора к йоду окислительные свойства ослабевают:
2F2 + 2Н2О = 4HF + О2
4С12 + H2S + 4Н2О = 8НС1 + H2S04
I2 + H2S=2HI + S
Кислород, восстанавливаясь, переходит в состояние окисленности —2 (Н2О или ОН-);
4ΝН3 + 5О2 = 4NO + 6Н2О
4FeS04 + О2 + 2Н2О = 4 (FeOH) SO4
2.Среди кислородсодержащих кислот и их солей к наиболее важным окислителям относятся КМпО4, К2СгО4, К2Сг2О7, концентрированная серная кислота, азотная кислота и нитраты, кислородсодержащие кислоты галогенов и их соли.
Перманганат калия, проявляя окислительные свойства за счет Mn(VII), восстанавливается до разных продуктов в зависимости от кислотности среды: в кислой среде — до Мп2+ (степень окисленности марганца +2), в нейтральной и слабощелочной — до МnО2 (степень окисленности +4), в сильнощелочной — до манганат-иона МnО42- (степень окисленности +6):
5K2SO3 + 2КМnО4 + 3H2SO4 = 6K2SO4 + 2MnSO4 + ЗН2О
ЗК2 S O3 + 2КМnО4 + Н2О = ЗК2 S О4 + 2MnO2 + 2KOH
K2SO3 + 2КМn04 + 2КОН = K2SO4 + 2К2МnО4 + Н20
Хромат и дихромат калия (К2СгО4 и К2Сг2О7) выступают в роли окислителей в кислой среде, восстанавливаясь до иона Сг3+, Поскольку в кислой среде равновесие:2СгО42- + 2Н+ ↔ Сг2О72- + Н2О
смещено вправо, то окислителем служит ион Сг2О72-
К2Сг207 + 3H2S + 4H2S04 = Cr2(S04)3 + 3S + K2SO4 + 7H2O
Концентрированная серная кислота проявляет окислительные свойства за счет серы в степени окисленности +6, которая может восстанавливаться до степени окисленности +4 (SО2 ), 0 (свободная сера) или -2 (H2S). Состав продуктов восстановления определяется главным образом активностью восстановителя, а также соотношением количеств восстановителя и серной кислоты, концентрацией кислоты и температурой системы. Чем активнее восстановитель и выше концентрация кислоты, тем более глубоко протекает восстановление. Так, малоактивные металлы (Си, Sb и др.), а также бромоводород и некоторые неметаллы восстанавливают концентрированную серную кислоту до SO2:
Си + 2H2SO4 == CuSO4 + S02 + 2H2O
2HBr + H2SO4 = Br2 + SO2 + 2H2O
С (уголь) + 2H2SO4 = CO2 + 2SO2 + 2H2O
Активные металлы (Mg, Zn.) восстанавливают концентрированную H2SO4 до свободной серы или сероводорода:
3Mg + 4H2SO4 = 3MgSO4 + S + 4H2O
4Zn + 5H2SO4 = 4ZnSO4 + H2S + 4H2O
Азотная кислота проявляет окислительные свойства за счет азота в степени окисленности +5, причем окислительная способность HNO3 усиливается с ростом ее концентрации. В концентрированном состоянии азотная кислота окисляет большинство элементов до их высшей степени окисленности. Состав продуктов восстановления HNO3 зависит от активности восстановителя и концентрации кислоты; чем активнее восстановитель и более разбавлена кислота, тем глубже протекает восстановление азота:
концентрация кислоты
<---------------- .
NO2 NO N2O N2 NH4+
.---------------- >
активность восстановителя
Поэтому при взаимодействии концентрированной НΝ03 с неметаллами или с малоактивными металлами образуется диоксид азота:
Р+5HNO3=Н3РО4+5N02+H2О
Ag+ 2HN03 = AgN03 + NO2 + H2O
При действии более разбавленной азотной кислоты на малоактивные металлы может выделяться оксид азота (II)
ЗСи + 8НΝО3 (35%-ная) = 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4Н2О,
а в случае активных металлов — оксид азота(1) или свободный азот
4Zn + 10НΝО3(разб.) = 4Zn(NO3)2 + N2O + 5Н2О
5Zn + 12HNO3 (разб.) = 5Zn(NO3)2 + N2 + 6H2O
Сильно разбавленная азотная кислота при действии ее на активные металлы может восстанавливаться до иона аммония, образующего с кислотой нитрат аммония:
4Mg +10НΝОз (очень разб.) = 4Mg(NO3)2 + NH4NO3 + ЗН2О
В отличие от иона SO42-, ион NO3- проявляет окислительные свойства не только в кислой, но и в щелочной среде. При этом в растворах ион ΝОз восстанавливается активными металлами до ΝНз
4Zn + NaNO3 + 7NaOH + 6Н2О = 4Na2 [Zn(OH)4] + NH3,
а в расплавах — до соответствующих нитритов:
Zn + KNO3 + 2КОН = K2ZnO2 + KNO2 + H2O
Кислородсодержащие кислоты галогенов (например, НОС1, НСlО3, НВгО3) и их соли, действуя в качестве окислителей, обычно восстанавливаются до степени окисленности галогена —1 (в случае хлора и брома) или 0 (в случае иода):
КСlО3 + 6FeSO4 + 3H2SO4 = КС1 + 3Fe2(SO4)3 + 3H2O
KBrO + МnС12 + 2КОН = KBr + MnO2 + 2KC1 + H2O
HIO3 + 5HI = 3I2 + 3H2O
3.Водород в степени окисленности +1 выступает как окислитель преимущественно в растворах кислот (как правило, при взаимодействии с металлами, стоящими в ряду напряжений до водорода):
Mg + H2SO4 (разб.) =MgSO4 + Н2
Однако при взаимодействии с сильными восстановителями в качестве окислителя может проявлять себя и водород, входящий в состав воды:
2К + 2Н2О = 2КОН + Н2
4. Ионы металлов, находящиеся в высшей степени окисленности (например, Fe3+, Cu2+, Hg2+), выполняя функцию окислителей, превращаются в ионы с более низкой степенью окисленности:
2FeCl3 + H2S == 2FeCl2 + S + 2HC1
2HgCl2 + SnCl2 = Hg2Cl2 + SnCl4
Восстановители
1. Среди элементарных веществ к типичным восстановителям принадлежат активные металлы(щелочные и щелочноземельные, цинк, алюминий, железо и др.), а также некоторые неметаллы, такие, как водород, углерод (в виде угля или кокса), фосфор, кремний. При этом в кислой среде металлы окисляются до положительно заряженных ионов, а в щелочной среде те металлы, которые образуют амфотерные гидроксиды (например, цинк, алюминий, олово), входят в состав отрицательно заряженных анионов или гидроксокомплексов. Углерод чаще всего окисляется до СО или
СО2, а фосфор, при действии сильных окислителей,—до Н3РО4.
2. В бескислородных кислотах (НС1, НВr,HI, H2S) и их солях носителями восстановительной функции являются анионы, которые, окисляясь, обычно образуют элементарные вещества. В ряду галогенид-ионов восстановительные свойства усиливаются от С1 -до I -
3. Гидриды щелочных и щелочноземельных металлов, содержащие ион Н-, проявляют восстановительные свойства, легко окисляясь до свободного водорода:
СаН2 + 2Н2О = Са(ОН)2 + 2Н2
4. Металлы в низшей степени окисленности (ионы Sn2+, Fe2+, Cu+, Hg2+ и др.), взаимодействуя с окислителями, способны повышать свою
степень окисленности:
SnCl2+Cl2 = SnCl4
5FеС12 + КМпО4 + 8НС1 (разб.) == 5FеС13 + МпС12 + КС1 + 4Н2О
Окислительно-восстановительная двойственность
Ниже приведены типичные примеры соединений, способных проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства.
1. Иод в свободном состоянии, несмотря на более выраженную окислительную функцию, способен при взаимодействии с сильными окислителями играть роль восстановителя, например:
I2 + 5Сl2 + 6Н2О = 2НIО3 + 10НС1
Кроме того, в щелочной среде для всех галогенов, исключая фтор, характерны реакции диспропорционирования:
С12 + 2КОН = КОС1 + KC1 + Н2О (на холоду)
ЗС12 + 6КОН = КС1О3 + 5КС1 + ЗН20 (при нагревании)
2. Пероксид водорода Н2О2 содержит кислород в степени окисленности -1, который в присутствии восстановителей может понижать степень окисленности до -2, а при взаимодействии с окислителями способен повышать степень окисленности и превращаться в свободный кислород:
5Н2О2 + I2= 2НIО3 + 4Н2О (Н2О2 — окислитель)
ЗН2О2 + 2КМп04 == 2МпО2 + 2КОН + ЗО2 + 2Н2О
(Н2О2 восстановитель)
3. Азотистая кислота и нитриты, выступая в качестве восстановителей за счет иона NQ2-окисляются до азотной кислоты или ее солей:
5НΝО2 + 2КМпО4 + 3H2S04 = 5НΝО3 + 2MnS04 + K2SO4 + 3H2O
Действуя в качестве окислителя, ион NO2- восстанавливается обычно до NO, а в реакциях с сильными восстановителями — до более низких степеней окисленности азота:
2NaN02 + 2NaI + 2H2SO4 = 2NO + I2 + 2Nа2SO4 + 2H2O
Задачи
124. На основе электронного строения атомов указать, могут ли быть окислителями: атомы натрия, катионы натрия, кислород в степени окисленности -2, йод в степени окисленности 0, фторид-ионы, катионы водорода, нитрит-ионы, гидрид-ионы.
125. Какие из перечисленных ионов могут служить восстановителями, а какие не могут и почему: Си2+, Sn2+,Сl-, VОз, S2-, Fe2+, WО42-, IO4-, Al3+, Hg2+, Hg22+?
126. Какие из перечисленных веществ и за счет каких элементов проявляют обычно окислительные свойства и какие — восстановительные? Указать те из них, которые обладают окислительно-восстановительной двойственностью: H2S, S02, CO, Zn, F2, NaNO2, KMnO4, HOC1, H3SbO3.
127. Указать, в каких из следующих реакций пероксид водорода служит окислителем, а в каких — воостановителем:
а) I2 + Н2О2 →НIО3 + Н20
б) РЬО2 + Н2О2 →РЬ(ОН)2 + 02
в)КС1О3 + Н2О2 →КС1 + О2 + Н2О
г) КМп04 + Н2О2 → МпО2 + КОН + О2 + Н2О
128. Указать, в какой из приведенных реакций гидразин N2H4 служит окислителем, и в какой — восстановителем:
N2H4 + 4AgNO3 + 4КОН = N2 + 4Ag + 4KNO3 + 4H2O
N2H4 + Zn + 2KOH + 2H2O = 2NH3 + K2[Zn(OH)4]
Как изменяется в каждом случае степень окисленности азота?
Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 396; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!